-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur computergestützten Rekonstruktion
eines dreidimensionalen anatomischen Objekts aus diagnostischen
Bilddaten, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- a) Aufnahme eines diagnostischen Bilddatensatzes
eines Objekts,
- b) Vorgabe eines dem Objekt zugehörigen Startpunktes innerhalb
eines Rekonstruktionsvolumens,
- c) Auffinden eines ebenfalls dem Objekt zugehörigen benachbarten
Punktes innerhalb des Rekonstruktionsvolumens nach Maßgabe eines
Propagationskriteriums, welches mittels einer mathematischen Analyse von
dem betreffenden Punkt zugeordneten, lokalen Bereichen des Bilddatensatzes
berechnet wird,
- d) Rekonstruktion der dreidimensionalen Struktur des Objektes
innerhalb des Rekonstruktionsvolumens durch mehrfache Wiederholung
des Verfahrensschrittes c) und Propagation entlang der dabei aufgefundenen
benachbarten Punkte.
-
Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm sowie in Bildgebungsgerät mit Computermitteln
zur Durchführung
dieses Verfahrens.
-
Im
Bereich der Angiographie werden dreidimensionale medizinische Bildgebungsverfahren,
wie z.B. die dreidimensionale Rotations-Röntgenbildgebung (3D-RX) oder
auch die Magnetresonanz-Bildgebung (MR), zunehmend wichtig. Die
mit derartigen Methoden gewonnenen Volumenbilddaten enthalten interessante Informationen
für die
Diagnose von Gefäßerkrankungen,
wie z.B. Stenosen oder Aneurysmen. Dabei ist die Visualisierung
der Gefäßstrukturen
entscheidend, damit ein behandelnder Arzt schnell und zuverlässig potenzielle
Gefahrenquellen (z.B. einen drohenden Infarkt oder eine Thrombose)
erkennen kann.
-
Die
computergestützte
dreidimensionale Rekonstruktion des Gefäßsystems eines Patienten aus
den aufgenommenen Bilddaten erlaubt es einerseits, den Verlauf der
Blutgefäße mit hoher
Wiedergabegenauigkeit zu visualisieren, wobei nicht zum interessierenden
Gefäßsystem
gehörende
anatomische Strukturen ausgeblendet werden. Andererseits ist die
dreidimensionale Rekonstruktion der Gefäßstrukturen ein nützliches
Hilfsmittel bei der Planung von Interventionen, wie beispielsweise
Linksherzkatheteruntersuchungen (PTCA).
-
Ein
dreidimensionales Rekonstruktionsverfahren für die Analyse von mittels Magnetresonanz-Angiographie
(MRA) aufgenommenen Volumenbilddaten ist beispielsweise aus einem
Artikel von Young et al. bekannt (S. Young, V. Pekar and J. Weese, „Vessel
Segmentation for Visualization of MRA with Blood Pool Contrast Agent", MICCAI 2001, 491-498,
Utrecht, October 2001). Das vorbekannte Verfahren dient unter anderem dazu,
bei der Visualisierung der Bilddaten das arterielle und das venöse Gefäßsystem
voneinander zu trennen. Gemäß dem vorbekannten
Verfahren wird zunächst
ein diagnostischer Bilddatensatz in Form eines Volumenbildes der
interessierenden Gefäßstrukturen
unter Anwendung eines geeigneten Kontrastmittels aufgenommen. Danach
wird von einem Benutzer ein Startpunkt (engl. „seed point") innerhalb eines
Rekonstruktionsvolumens vorgegeben, wobei dieser Startpunkt von
dem Benutzer als einem venösen
Gefäß zugehörig identifiziert
wird. Danach erfolgt eine automatische dreidimensionale Rekonstruktion
des ausgewählten
Gefäßes mittels
eines Propagations-Verfahrens, das auf einer mathematischen Analyse
der jeweiligen lokalen Bildbereiche basiert. Ausgehend von dem Startpunkt
werden nach Maßgabe
eines durch die mathematische Analyse gelieferten Propagationskriteriums
Punkte innerhalb des Rekonstruktionsvolumens als dem Gefäß zugehörig oder
nicht zugehörig
identifiziert, wodurch eine Segmentierung des Rekonstruktionsvolumens
erfolgt. Die Propagation wird solange fortgesetzt, bis die gesamte
Struktur rekonstruiert ist oder bis ein vorgegebener Endpunkt erreicht
wird. Wesentlich ist bei dem vorbekannten Verfahren die für die Berechnung
des Propagationskriteriums angewandte mathematische Analyse. In
dem genannten Artikel wird diesbezüglich ein mathematisches Filter
vorgeschlagen, welches auf der Auswertung der zweiten Ableitungen
der Grauwerte innerhalb der lokalen Bildbereiche basiert. Als Alternative
wird die Anpassung der lokalen Bilddaten an ein Zylinder-Modell vorgeschlagen,
durch welches die Selektivität
der mathematischen Analyse für
Blutgefäß-typische
Bildstrukturen hergestellt wird.
-
Bei
der Rotations-Röntgenbildgebung
wird eine Mehrzahl von zweidimensionalen Projektionsbildern unter
unterschiedlichen Projektionswinkeln, beispielsweise mittels eines
C-Arm-Röntgengeräts, aufgenommen.
Um die Blutgefäße des untersuchten
Patienten in den Projektionsbildern sichtbar zu machen, wird dem Patienten
ein die Röntgenstrahlung
absorbierendes Kontrastmittel injiziert. Bei dieser Untersuchungsmethode ist
problematisch, dass die Blutgefäße typischerweise
einen komplizierten räumlichen
Verlauf haben, welcher allein anhand der zweidimensionalen Projektionsbilder
vom Arzt nur schwer erfasst werden kann. Die fehlenden räumlichen
Informationen innerhalb eines Projektionsbildes müssen vom
Arzt durch Vergleich mit unter anderen Projektionswinkeln aufgenommenen
Bildern ergänzt
werden.
-
Es
besteht nun die Möglichkeit,
aus der Mehrzahl von mittels 3D-RX aufgenommenen zweidimensionalen
Projektionsbildern einen Volumenbilddatensatz mittels geeigneter
Modellierungs- oder Rückprojektionstechniken
auf einem geeigneten Computer zu erzeugen. Dieser Volumenbilddatensatz
kann dann zur Rekonstruktion der räumlichen Gefäßstrukturen
einer Analyse der oben skizzierten Art unterzogen werden. Bei diesem
Vorgehen ist allerdings nachteilig, dass dies mit einem erheblichen
Rechenaufwand verbunden ist. Nachteilig ist ferner, dass, insbesondere
wenn die koronaren Gefäße des Patienten
untersucht werden sollen, die Erzeugung der Projektionsbilder EKG-gesteuert
erfolgen muss, damit die Koronarien in sämtlichen Bildern in der gleichen
Phase des Herzschlag-Zyklus aufgenommen werden. Aufgrund der Notwendigkeit
der EKG-Steuerung liegt dann nur eine vergleichsweise geringe Zahl
von Bildern für
jede Phase des Herzschlag-Zyklus vor, was dazu führt, dass die daraus rekonstruierten
Volumenbilder die Gefäßstrukturen
nur relativ ungenau abbilden. Eine quantitative Analyse gemäß dem oben
beschriebenen Rekonstruktionsverfahren liefert dann keine brauchbaren
Ergebnisse.
-
Ein
dreidimensionales Rekonstruktionsverfahren der Hirngefäße basierend
auf einer Rotations-Angiographie is von Koppe et al. bekannt (R.
Koppe, E. Klotz, H. Aerts, J. Op de Beek, R. Kemkers, „3D Reconstruction
of Cerebral Vessel Malformations Based on Rotational Angiography", Computer Assisted
Radiology and Surgery, CARS 1997, 145-151). Aus einem Satz zweidimensionaler
Projektionsbilder wird ein dreidimensionales Bild gewonnen und anschließend mittels
eines Koinzidenz-Algorithmus in Gefäße und Hintergrund segmentiert.
Jedes Voxel des Rekonstruktionsraums wird anhand aller zweidimensionalen
Projektionsbilder geprüft.
Wenn das genannte Voxel Teil eines auf allen Bildern dargestellten
Objekts ist, ist es auch Teil der dreidimensionalen Struktur.
-
Davon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Segmentierung eines Rekonstruktionsvolumens zu
schaffen, welches in der Lage ist, ausgehend von einer vergleichsweise
geringen Anzahl von zweidimensionalen Projektionsbildern die dreidimensionale
Struktur des Objektes zuverlässig,
präzise
und mit möglichst
geringem Rechenaufwand zu ermitteln.
-
Bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass im Verfahrensschritt a) eine Mehrzahl von zweidimensionalen
Projektionsbildern unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen
aufgenommen wird, wobei im Verfahrensschritt c) das Propagationskriterium
berechnet wird, indem die lokalen Bildbereiche der zweidimensionalen
Projektionsbilder jeweils einzeln der mathematischen Analyse unterzogen
werden.
-
Die
Grundidee der Erfindung ist es, die computergestützte Segmentierung des Rekonstruktionsvolumens
direkt mittels eines an sich bekannten Propagations-Verfahrens durchzuführen, und
zwar ohne eine zwischengeschaltete Rekonstruktion eines dreidimensionalen
Volumenbilddatensatzes aus den Projektionsbildern. Dabei wird die
Propagation im Rekonstruktionsvolumen entlang der Konturen des zu
rekonstruierenden Objektes gesteuert, indem die mittels der auf
die einzelnen zweidimensionalen Projektionsbilder angewandten mathematischen
Analyse gewonnenen Informationen zu einem einheitlichen Propagationskriterium
kombiniert werden.
-
Hierzu
ist es beispielsweise möglich,
dass im Verfahrensschritt c) ein Punkt als dem Objekt zugehörig identifiziert
wird, sofern die mathematische Analyse für eine Mehrzahl der zweidimensionalen
Projektionsbilder ein übereinstimmendes
Ergebnis liefert. Dieses Vorgehen trägt der Tatsache Rechnung, dass
aufgrund der Projektion die mathematische Analyse eines einzelnen
zweidimensionalen Projektionsbildes durchaus ergeben kann, dass
der betreffende Punkt als zu dem Objekt gehörig erscheint, auch wenn dies
tatsächlich
nicht der Fall ist. Erst der Vergleich mit den durch die mathematische
Analyse der anderen Projektionsbilder in Bezug auf diesen Punkt
erhaltenen Ergebnisse erlaubt eine zuverlässige Segmentierung.
-
Zweckmäßigerweise
werden im Verfahrensschritt c) die lokalen Bildbereiche ermittelt,
indem der betreffende Punkt innerhalb des Rekonstruktionsvolumens
entsprechend den jeweiligen Projektionsrichtungen in die Bildebenen
der zweidimensionalen Projektionsbilder projiziert wird. Auf diese
Weise werden die geometrischen Gegebenheiten bei der Aufnahme der
Projektionsbilder nachvollzogen, um eine Zuordnung zwischen den
Punkten des Rekonstruktionsvolumens und den Bildpunkten der zweidimensionalen
Projektionsbilder herstellen zu können.
-
Durch
die mathematische Analyse im Verfahrensschritt c) sollte sinnvollerweise
als Propagationskriterium für
jedes zweidimensionale Projektionsbild jeweils eine Propagations-Maßzahl berechnet
werden, durch deren Betrag angegeben wird, ob der betreffende Punkt
dem Objekt zugehörig
ist oder nicht. Eine derartige Maßzahl ist bei der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
mittels eines Computers besonders gut geeignet, da das Auffinden
von dem zu rekonstruierenden Objekt zugehörigen Punkten durch einfachen
numerischen Vergleich erfolgen kann. Es kann beispielsweise so vorgegangen
werden, dass im Verfahrensschritt c) ein Punkt als dem Objekt zugehörig identifiziert
wird, sofern die Propagations-Maßzahl für eine Mehrzahl der zweidimensionalen
Projektionsbilder einen großen
Betrag annimmt.
-
Blutgefäße sind
charakterisiert durch ihre axiale Symmetrie. Sie haben eine große Ausdehnung
in einer Richtung und nur eine geringe Ausdehnung in der dazu senkrechten
Richtung. Diese morphologische Eigenschaft kann gemäß der Erfindung
ausgenutzt werden, um die Propagations-Maßzahl zu berechnen. Zur dreidimensionalen
Rekonstruktion von Gefäßstrukturen
ist es demnach sinnvoll, bei der Berechnung der Propagations-Maßzahl die
Eigenwerte der Hesse-Matrix der Grauwerte in dem lokalen Bildbereich
des jeweiligen zweidimensionalen Projektionsbildes zu berechnen.
Durch die Auswertung dieser Eigenwerte folgt die Propagation dann
den Bildstrukturen mit – räumlich betrachtet – möglichst
geringen Grauwert-Krümmungswerten, weil
die Hesse-Matrix Informationen über
die lokalen zweiten Ableitungen der Grauwerte liefert. Zur Berechnung
der Propagations-Maßzahl
auf der Grundlage der Eigenwerte der Hesse-Matrix finden sich geeignete Formeln
beispielsweise in dem oben zitierten Artikel von Young et al.. Die
Propagations-Maßzahl kann
aus den zweidimensionalen Projektionsbildern beispielsweise wie
folgt berechnet werden:
-
Dabei
sind α und
c Wichtungsfaktoren und λ1 (x →) und λ2 (x →) sind die Eigenwerte der am Punkt x → innerhalb
des jeweiligen zweidimensionalen Projektionsbildes berechneten Hesse-Matrix
der lokalen Grauwerte. Näheres
hierzu findet sich in der oben zitierten Veröffentlichung von Young et al.
-
Auch
kann bei der Berechnung der Propagations-Maßzahl für das jeweilige zweidimensionale
Projektionsbild eine Anpassung an ein Zylindermodell innerhalb des
lokalen Bildbereichs berechnet werden. Durch ein derartiges Zylindermodell,
das ebenfalls in dem genannten Artikel von Young et al. im Einzelnen
beschrieben wird, werden ebenso Gefäßstrukturen von anderen anatomischen
Strukturen unterscheidbar gemacht.
-
Zweckmäßigerweise
wird die Rekonstruktion abgebrochen, wenn bei der Propagation im
Verfahrensschritt d) ein vorgebbarer Endpunkt erreicht wird. Ein
derartiger Endpunkt kann entweder interaktiv vorgegeben werden oder
aber automatisch, beispielsweise anhand der Größe des Rekonstruktionsvolumens,
bestimmt werden.
-
Ein
Bildgebungsgerät,
insbesondere ein C-Arm-Röntgengerät, zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist Gegenstand von Anspruch 9, wonach ein Computermittel des Bildgebungsgerätes programmtechnisch
derart eingerichtet ist, dass die Aufnahme der zweidimensionalen
Projektionsbilder gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren erfolgt. Für angiographische Untersuchungen
der Koronarien weist das Bildgebungsgerät zweckmäßigerweise eine EKG-Steuerung
gemäß Anspruch
10 auf, um die Aufnahme der Projektionsbilder Herzschlag-synchron
durchführen
zu können.
-
Für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
beispielsweise auf einem mit einem geeigneten Computermittel ausgestatteten
Bildgebungsgerät,
eignet sich ein Computerprogramm gemäß Anspruch 11. Die hierfür benötigte Software
kann den Benutzern von entsprechenden Bildgebungsgeräten vorteilhafterweise
auf einem geeigneten Datenträger,
wie einer Diskette oder einer CD-ROM oder zum Herunterladen über ein
Datennetz (Internet) zur Verfügung
gestellt werden.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf in den Figuren dargestellte
Beispiele von Ausführungsformen
näher beschrieben,
auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rekonstruktion
eines dreidimensionalen anatomischen Objekts;
-
2 ein
Bildgebungsgerät
gemäß der Erfindung.
-
1 zeigt
einen aus zwei zweidimensionalen Projektionsbildern 1, 2 bestehenden
diagnostischen Bilddatensatz, welcher mittels Röntgendurchleuchtung aufgenommen
wurde. Dabei ist in den unter unterschiedlichen Projektionswinkeln
aufgenommenen Projektionsbildern 1, 2 jeweils
ein verzweigtes Blutgefäß 3 eines
Patienten zu sehen. Die Projektionsbilder 1, 2 zeigen
dasselbe Blutgefäß 3 dementsprechend
aus unterschiedlichen Perspektiven. Zur Aufnahme des Bilddatensatzes
wurde dem Patienten ein Kontrastmittel appliziert, so dass sich
das Blutgefäß 3 in
den Projektionsbildern dunkel abzeichnet. Zur Rekonstruktion der
dreidimensionalen Struktur des Blutgefäßes 3 gemäß der Erfindung wird
innerhalb eines Rekonstruktionsvolumens 4 zunächst ein
Startpunkt 5 vorgegeben. Die Kontur des Blutgefäßes 3 wird
dann in dem Volumen 4 rekonstruiert, indem nach Maßgabe eines
Propagationskriteriums jeweils dem Blutgefäß 3 zugehörige benachbarte
Punkte in dem Volumen 4 aufgefunden werden. Hierzu werden
dem jeweiligen Punkt 5 zugehörige lokale Bildbereiche 6 und 7 innerhalb
der zweidimensionalen Projektionsbilder 1 bzw. 2 jeweils
einzeln einer mathematischen Analyse unterzogen. Nach Auffinden
eines zu dem Startpunkt 5 benachbarten Punktes wird die
Prozedur für
zu diesem Punkt wiederum benachbarte Punkte wiederholt, und zwar
solange, bis die gesamte Struktur des Blutgefäßes 3 innerhalb des
Volumens 4 rekonstruiert ist. Der bei diesem Propagationsschritt
jeweils untersuchte Punkt wird als dem Blutgefäß zugehörig identifiziert, wenn die
mathematische Analyse der lokalen Bildbereiche 6 und 7 für beide
Projektionsbilder 1 bzw. 2 ein positives Ergebnis
liefert. Die lokalen Bildbereiche 6 und 7 werden
ermittelt, indem der Punkt 5 entsprechend den Projektionsrichtungen,
mit denen die beiden Bilder 1 und 2 aufgenommen
wurden, in die Bildebenen dieser beiden Bilder projiziert wird.
Dies ist in der 1 durch Pfeile 8 und 9 angedeutet.
-
Bei
dem in der 2 gezeigten Bildgebungsgerät handelt
es sich um ein C-Arm-Röntgengerät, welches
einen C-Arm 10 aufweist, welcher mittels einer Halterung 11 an
einer nicht näher
dargestellten Decke aufgehängt
ist. An dem C-Arm 10 sind eine Röntgenstrahlungsquelle 12 sowie
ein Röntgenbildwandler 13 beweglich
geführt,
so dass eine Mehrzahl von zweidimensionalen Projektions-Röntgenbildern
von einem im Zentrum des C-Arms 10 auf einem Patiententisch 14 liegenden
Patienten 15 unter unterschiedlichen Projektionswinkeln
aufgenommen werden können.
Die synchrone Bewegung der Röntgenstrahlungsquelle 12 und
des Röntgenbildwandlers 13 werden
von einer Steuereinheit 16 gesteuert. Bei der Bildaufnahme
laufen die Röntgenstrahlungsquelle 12 und
der Röntgenbildwandler 13 synchron
um den Patienten 15 herum. Die dabei von dem Röntgenbildwandler 13 erzeugten
Bildsignale werden an eine computergesteuerte Bildverarbeitungseinheit 17 übertragen.
Mittels eines EKG-Geräts 18 wird
der Herzschlag des Patienten 15 überwacht. Das EKG-Gerät 18 übermittelt
Steuersignale an die Bildverarbeitungseinheit 17, so dass
diese in der Lage ist, eine Mehrzahl von zweidimensionalen Projektionsbildern
jeweils in der selben Phase des Herzschlagzyklus zu speichern, um
auf diese Weise eine angiographische Untersuchung der Koronarien
durchzuführen.
Die Bildverarbeitungseinheit 17 weist eine Programmsteuerung
auf, mittels welcher eine dreidimensionale Rekonstruktion eines
mit dem so aufgenommenen Bilddatensatz erfassten Blutgefäßes erfolgt, und
zwar nach dem oben beschriebenen Verfahren. Das rekonstruierte Blutgefäß kann dann
auf einem an die Bildverarbeitungseinheit 17 angeschlossenen
Monitor 19 in bekannter Weise visualisiert werden.